石灰石粉施用對土壤有機碳礦化的影響

陶娟花，石其偉，章明奎

(1.紹興市柯橋區農業水產技術推廣站，浙江 柯橋 312030；2.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

近年來我國農田土壤酸化非常突出，土壤酸化已成為一些地區農業可持續發展的阻礙因素[1-3]。施用改良劑是酸性土壤改良的主要方法[4-7]，其中施用石灰或者石灰性物質是改良酸性土壤的傳統方法[8-11]。石灰可以中和土壤的活性酸和潛性酸，消除鋁毒，迅速有效地降低酸性土壤的酸度。石灰在中和土壤酸度的同時，也明顯改變了土壤理化性狀[12]，補充土壤中鈣、鎂等養分[13]，改善土壤結構，提高土壤磷素和一些微量元素的生物有效性[14]，提高土壤微生物活性[13]，從而影響土壤中的物質循環。碳和氮的循環是土壤中物質循環的核心，可影響土壤的肥力水平和供肥能力。目前，有關石灰施用對土壤養分和作物生長的影響研究較多[15-16]，但石灰的施用對土壤有機碳循環及土壤有機碳狀況影響的研究很少。為此，本研究采用盆栽方法探討了石灰施用對土壤本身有機碳及其礦化的影響，為農田土壤科學管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

實驗所用酸化土壤采自蔬菜地耕層，土壤類型為水稻土土類，黃松田土屬。供試土壤pH值為4.76，有機碳含量為16.57 g·kg-1，全氮含量為1.68 g·kg-1，土壤陽離子交換量為13.98 cmol·kg-1，質地為壤土。

1.2 試驗處理

供試土壤經充分混勻、風干后過5 mm土篩用于盆栽試驗。在淹水(模擬種植水稻環境)與非淹水(模擬種植蔬菜環境)條件下開展試驗。每一種水分條件的試驗各設6個處理，其有機肥和石灰石粉用量見表1。供試有機肥為商品有機肥，其pH值為6.34，有機碳含量為328.58 g·kg-1，全氮含量為23.28 g·kg-1。試驗盆缽體積10 L，每盆裝土量為10 kg，重復3次。分別添加相應數量的有機肥和石灰石粉，并充分混勻后進行培養試驗。淹水條件下的試驗土表保持2 cm水層；非淹水條件下的試驗土壤水分保持田間持水量的70%左右。試驗期間用稱重法保持土壤含水量。室溫和空氣濕度分別控制在20～25 ℃和75%～85%。培養試驗共持續30周，分別在第1、5、10、15、20和30周采樣分析。

1.3 分析方法

采集的土樣經混勻、風干處理后全部磨細過2 mm土篩后，部分樣品進一步磨細過0.15 mm土篩用于土壤分析，分析指標包括土壤pH值和有機碳、易氧化有機碳、微生物生物量碳含量。土壤pH值用數顯PHB-4酸度計測定[17]，土水比為1∶2.5；土壤有機碳含量用重鉻酸鉀氧化法測定[17]；土壤中易氧化有機碳含量采用0.333 mol·L-1高錳酸鉀氧化法測定[18]；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[19]，提取液中碳用Shimadzu TOC自動分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

無論是淹水還是非淹水條件，石灰石粉的施用顯著增加了土壤pH值(表2)。總體上，在石灰石粉用量相同的情況下，淹水土壤pH值明顯高于非淹水環境。在不施用石灰石粉或石灰石粉用量較低時，有機肥的施用可增加土壤的pH值，但當石灰石粉用量較高時，有機肥的施用反而降低了土壤的pH值。結果還表明，施用石灰石粉的土壤pH值隨培養時間的增加而下降，而不施用石灰石粉的處理pH值變化較小。

表2 土壤pH值的變化

2.2 土壤有機碳含量

有機肥的施用顯著增加了土壤中的有機碳含量，但增加量隨著培養時間的增加而下降，下降速率在非淹水環境下高于淹水環境(表3)。在相同有機肥施用條件下，土壤有機碳礦化分解速率隨石灰石粉用量增加而增加，即積累在土壤中的有機碳隨石灰石粉用量增加而下降。培養至第30周時，施用有機肥的非淹水和淹水土壤分別比不施有機肥的土壤有機碳含量高出7.24%～8.66%和7.02%～8.86%；非淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機碳含量分別比對照下降1.95%和3.27%；非淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機碳含量分別比對照下降1.82%和2.00%。淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機碳含量分別比對照下降2.30%和3.17%；淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤有機碳含量分別比對照下降2.15%和1.51%。

表3 土壤有機碳含量的變化 單位：g·kg-1

2.3 土壤易氧化有機碳和穩定有機碳含量

土壤易氧化有機碳含量的變化趨勢基本上與有機碳相似，隨石灰石粉用量和培養時間的增加而下降，但下降幅度明顯大于有機碳含量；在不施有機肥的條件下土壤易氧化有機碳含量的變化較小，在施用有機肥條件下的土壤有機碳含量下降幅度尤為顯著(表4)。培養至第30周時，非淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機碳含量分別比對照下降1.65%和2.81%；非淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機碳含量分別比對照下降9.91%和14.29%。淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機碳含量分別比對照下降3.54%和3.38%；淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤易氧化有機碳含量分別比對照下降8.16%和11.11%。淹水環境下土壤中的易氧化態有機碳含量比非淹水環境下更穩定。

表4 土壤易氧化有機碳含量的變化 單位：g·kg-1

土壤穩定有機碳含量是土壤中有機碳與易氧化碳含量之間的差值。土壤中穩定態有機碳含量的變化與易氧化有機碳含量的變化有所差異(表5)。培養至第30周時，非淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩定有機碳含量分別比對照下降2.14%和3.56%；非淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩定有機碳含量分別比對照增加3.64%和6.29%。淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩定有機碳含量分別比對照下降1.52%和3.04%；淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤穩定有機碳含量分別比對照增加2.08%和5.24%。

表5 土壤穩定態有機碳含量的變化 單位：g·kg-1

2.4 土壤微生物生物量碳含量

石灰石粉和有機肥的施用增加了土壤中微生物生物量碳含量，這種變化基本上隨石灰石粉用量的增加而增加。但土壤中微生物生物量碳含量總體上隨培養時間的增加而下降(表6)。培養至第30周時，非淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對照增加12.33%和19.18%；非淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對照增加3.65%和8.76%。淹水和不施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對照增加9.38%和17.19%；淹水和施有機肥條件下，石灰石粉低用量和高用量處理的土壤微生物生物量碳含量分別比對照增加6.45%和5.65%。

表6 土壤微生物生物量碳的動態變化 單位：g·kg-1

3 討論

本研究表明，石灰類物質的施用可降低土壤本身有機碳、易氧化有機碳和穩定有機碳的含量，增加土壤微生物生物量碳含量；同時，石灰類物質的施用可增加有機肥施用后土壤中有機碳、易氧化有機碳的含量，同時增加穩定態有機碳和微生物生物量碳含量。主要是由于石灰類物質的施用降低了土壤的酸度，顯著提高了土壤的pH值[20]，從而改善了土壤微生物生境[13，21]，后者促進了土壤微生物的活動，這從施石灰類物質后土壤微生物生物量碳含量明顯增加得到證明。而土壤微生物活性的增加，促進了土壤有機碳的循環[22-24]。在沒有外源有機碳加入的情況下，微生物對土壤碳的利用可同時降低土壤中的易氧化有機碳、穩定有機碳和土壤有機碳的總量。但當有外源碳輸入時(即施用有機肥的情況下)，因外源有機碳具有較高比例的易氧化有機碳成分，土壤微生物優先利用外源有機碳，從而降低了土壤有機碳的總量和易氧化有機碳的含量，但外源有機碳在分解和腐殖化的過程中部分可形成穩定態的有機碳，因此，隨著時間的增加，穩定有機碳呈現增加的趨勢。因高量石灰石粉施用后土壤更趨向于中性，更有利于土壤微生物的活動[25-26]，所以高量石灰石粉處理對土壤有機碳的循環影響更為顯著。

4 結論

石灰石粉施用在提高土壤pH值的同時，可改變土壤性狀和微生物活性，加速土壤有機碳的循環。在不施用有機肥的條件下，石灰石粉的施用可降低土壤中有機碳、易氧化有機碳和穩定有機碳的數量，其影響隨石灰石粉用量的增加而增強。在同時施用有機肥的條件下，石灰石粉優先影響外源有機碳的循環，加快因有機肥引入的土壤中有機碳、易氧化有機碳的礦化，促進易氧化有機碳向穩定有機碳的轉化，從而增加穩定態有機碳的數量。